CN108319013A - 一种光束调相调向装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光束调相调向装置及其使用方法，包括通过微流道相互连接的功能内芯及驱动内芯，所述功能内芯与对称设置左、右盖片形成由调相腔及调向腔构成的功能腔，所述调相腔及调向腔内分别放置有互不相溶且折射率各异的三种液体材料，并通过液体材料分别组合构成调相液柱及调向液柱，本发明通过在驱动内芯左侧施加压力，改变第一、二液体在驱动腔内的填充比例，改变从左至右传播的光束相位差，完成调相；并通过控制调向腔内四块导电材料电极的电压，控制光束从左至右传播的方向，实现平面二维可调，完成调向。本发明组合调相及调向功能在同一装置中，解决了光学综合孔径共相难的问题，使其共相过程简化、减小共相误差。
Description
技术领域
本发明涉及一种光束调相调向装置及其使用方法，属于光学综合孔径、光电信息集成器件、微流控光学分析和自适用光学技术领域。
背景技术
光学综合孔径技术是将多个小口径的光学镜面或光学系统按照一定的空间位置排列，通过光路、镜面的调整和相位匹配，使得通过各个子孔径的光束在共同焦平面上满足同相位要求，以实现光场的相干叠加，达到与之通光口径相当的单一大口径系统的衍射分辨率。目前光学综合孔径技术已经成为增大望远镜口径、提高望远镜分辨率的一种重要手段。子孔径间能否良好共相的问题制约着光学综合孔径望远镜的光学性能。实际上，共焦易于实现，难点在于共相。针对拼接型望远镜共相难的问题，文章《基于色散条纹传感技术的拼接镜共相方法》提出了一种基于色散条纹传感技术的共相误差检测方法，硕士论文《自适应光学合成孔径成像遥感器中光纤压电陶瓷移相器的研究》使用光纤压电陶瓷移相器来对相位误差进行实时测量与校正，硕士论文《光学综合孔径望远镜中电感式位移传感器的研究》使用的传感器具有一定的线性度、灵敏度和分辨率的,可用于综合孔径望远镜子孔径间位移测量系统。但上述研究均未对现有光学综合孔径共相方法存在的操作复杂、精度不高等问题做出实际改变。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种光束调相调向装置及其使用方法，用于解决现有光学综合孔径共相方法复杂，精度不高等问题，使其共相过程简化、减小共相误差。
为了达到以上目的，一种光束调相调向装置，包括具有柱状通孔的功能内芯(1)和驱动内芯(2)；所述功能内芯(1)的左右两端分别设有透明的左盖片(5)和右盖片(6)，且功能芯片与两块盖片间的空间形成液体可调相调向的功能腔(3)，用于存储调相调向液体材料；所述功能腔(3)由调相腔(7)和调向腔(8)组成，放置第一液体(9)、第二液体(10)和第三导电液体(11)，三种导电液体互不相溶且折射率各异，第一液体(9)和第二液体(10)组合构成调相液柱，第二液体(10)和第三导电液体(11)组合构成调向液柱；调相腔(7)由非弹性材料制作而成；调向腔(8)由四块导电材料经绝缘粘胶粘结而成，导电材料分别为壁(8-1)、壁(8-2)、壁(8-3)、壁(8-4)，各内壁面设有绝缘介电层和疏水层，每块导电材料作为独立的控制电极，第三导电液体(11)为公共电极；
驱动内芯(2)设有具有弹性壁的驱动腔(4)，所述驱动腔两端设有开口并通过微流道与功能内芯(1)调相腔(7)连通，储存有第一液体(9)和第二液体(10)；驱动内芯(2)外侧设有粗调驱动装置(12)和细调驱动装置(13)。
进一步的，所述调相腔(7)中部内壁区域设有疏水层，第一液体(9)、第二液体(10)接触面为与内壁垂直的平面。
一种光束调相调向装置的使用方法，包括如下步骤，
步骤1，进行光束调相：
步骤1.1、在驱动芯片上左侧施加压力，驱动第一液体向左运动，使得第二液体通过微流道挤入调相腔内，进而使接触面向左移动；
步骤1.2、通过驱动芯片上的粗调驱动装置及细调驱动装置进行进一步驱动调节；
步骤1.3、根据计算从左至右传播的光束的相位差，最终完成调相；
步骤2，进行光束调向：
步骤2.1、对调向腔内的四块导电材料壁施加适当的电压，设置初始电压为0v，使液体接触面与四个壁的接触角均为90度，确保接触面为平面；
步骤2.2、提高壁(8-1)的控制电压，并同步同值降低壁(8-3)的控制电压，使壁(8-1)和壁(8-3)与液体的接触角始终保持互补，从而实现该平面一维可调；
步骤2.3、在上述接触面为平面的前提下，分别对称壁(8-2)和壁(8-4)的控制电压，进而实现该平面二维可调，并最终完成调向。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本装置将调相及调向两种功能组合在同一装置中，解决了光学综合孔径共相难的问题，这种新颖光束调相调向装置将会在光通信领域和光信息处理领域中得到广泛的应用。
(2)在驱动芯片上左侧施加压力，改变驱动腔内第一液体和第二液体的填充比例，改变从左至右传播的光束相位差，实现调相。
(3)使用4个电压，控制光束从左向右传播的方向，实现二维可调。
本发明将液体可调技术和现代光学技术相结合，提出一种新颖的光束调相调向装置，由于不需要电极等复杂器件，使得测量计算过程大大简便，具有重要的技术价值和经济价值，将会在光学综合孔径等领域得到广泛的应用。本发明设计的光束调相调向装置具有结构简单、容易制作、成本低廉等优点,具有重要的技术价值和经济价值,将会在光通信和光信息处理领域得到广泛的应用。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的调向液柱的结构示意图。
标号说明：1功能内芯，2驱动内芯，3功能腔，4驱动腔，5左盖片，6右盖片，7调相腔，8调向腔，四块导电材料：壁8-1，壁8-2，壁8-3，壁8-4，9第一液体，10第二液体，11第三导电液体，12粗调驱动装置，13细调驱动装置。
具体实施方式
本实施例提供了一种光束调相调向装置，结构如图1、图2所示，包括具有柱状通孔的功能内芯1和驱动内芯2；在功能内芯的左右两端设有透明的左盖片5和右盖片6，通过功能内芯与两块盖片之间形成的空间构成了液体可调相调向的功能腔3，用于存储调相调向液体材料。该功能腔由调相腔7和调向腔8组成，放置有第一液体9、第二液体10和第三导电液体11，三种导电液体互不相溶且折射率各异。其中，第一液体和第二液体组合构成调相液柱，第二液体和第三导电液体组合构成调向液柱。
调相腔由非弹性材料构成，其中部内壁区域设有疏水层，第一液体、第二液体接触面为与内壁垂直的平面。调向腔由四块导电材料经绝缘粘胶粘结而成，导电材料分别为壁8-1、壁8-2、壁8-3及壁8-4，各内壁面设有绝缘介电层和疏水层，每块导电材料作为独立的控制电极，第三导电液体则作为为公共电极。
驱动内芯设有具有弹性壁的驱动腔4，两端设有开口并通过微流道与功能内芯，调相腔连通，储存有第一液体及第二液体；驱动内芯的外侧设有粗调驱动装置12和细调驱动装置13。
实施例1
调相腔使用金属圆管精加工而成，内壁涂覆特氟龙薄膜；调向腔所在的内芯片采用跟上述调相腔同样的金属圆管，沿轴向平均切割成4份并引出电极，再使用环氧树脂粘接起来，在其内壁涂覆蒸镀3-10μm的派瑞林绝缘介电材料，再涂覆一层非常薄的Teflon@1600，并设置电压V3-1～V3-4分别施加于上述4个电极；采用软塑料圆管制作成驱动内芯并封装，在调相腔的第一液体的靠左部分开孔，驱动内芯的左端开孔，使用细管将两孔连接起来，在调相腔的第二液体的中部附近开孔，驱动内芯的右端开孔，使用同样的细管将两孔连接起来。软塑料圆管外壁左半部分缠绕数匝线圈并施加电压V1，右半部分也缠绕数匝线圈并施加电压V2，在上述两个线圈附近的软塑料圆管外壁上套有环形压电陶瓷并分别施加电压V1-1和V2-1，由V1和V2实现液体的粗驱动，由V1-1和V2-1实现液体的精细驱动。第一液体选用酒精，并在其中加入肥皂水作为活化剂以降低接触角，使得接触角为90度，其中酒精与肥皂水的比例为3：1，第二液体选用油，第三导电液体选用30％的盐水。
首先，进行调相：在驱动芯片的左侧施加压力，驱动第一液体向左运动，使得第二液体通过细管挤入调相腔，进而使接触面向左移动，改变驱动腔内第一液体和第二液体的填充比例，改变从左至右传播的光束相位差，进而实现调相。
其中，从左至右传播的光束相位差按照进行调节。
其次，进行调向：设置四壁初始电压0v，使得所有接触角为90度，此时接触面为初始平面；其次，提高壁8-1控制电压1v，降低壁8-3控制电压1v，有效控制该平面一维偏转；最后，在上述条件下，分别对称增减壁8-2和壁8-4的控制电压1v，进而实现该平面二维可调。
实施例2
调相腔使用塑料硬圆管制作而成，便于工业规模化生产，由于塑料本身具有疏水性质，在其内壁涂覆一层油脂；调向腔所在的内芯片采用跟上述调相腔同样的塑料硬圆管，在其内壁均匀的镀上4块瓦片状金属镍并引出4个电极，在其内壁涂覆蒸镀3-10μm的派瑞林绝缘介电材料，再涂覆一层非常薄的Teflon@1600，并设置电压V3-1～V3-4分别施加于上述4个电极；采用PDMS制作成驱动内芯并封装，在调相腔的第一液体的靠左部分开孔，驱动内芯的左端开孔，使用细管将两孔连接起来，调相腔的第二液体的中部附近开孔，驱动内芯的右端开孔，使用同样的细管将两孔连接起来。PDMS外壁左半部分缠绕音圈并施加电压V1，在驱动内芯两端面设置两块磁铁，右半部分也缠绕音圈并施加电压V2，在上述两个音圈附近的PDMS外壁上套有环形压电陶瓷并分别施加电压V1-1和V2-1，由V1和V2实现液体的粗驱动，由V1-1和V2-1实现液体的精细驱动。第一液体选用离子液体：BF4，第二液体选用甘油、第三导电液体选用离子液体：CB11H12。
首先，进行调相：在驱动芯片的左侧施加压力，驱动第一液体向左运动，使得第二液体通过细管挤入调相腔，进而使接触面向左移动，改变驱动腔内第一液体和第二液体的填充比例，改变从左至右传播的光束相位差，进而实现调相。
其中，从左至右传播的光束相位差按照进行调节。
其次，进行调向：设置四壁初始电压0v，使得所有接触角为90度，此时接触面为初始平面；其次，提高壁8-1控制电压1v，降低壁8-3控制电压1v，有效控制该平面一维偏转；最后，在上述条件下，分别对称增减壁8-2和壁8-4的控制电压1v，进而实现该平面二维可调。
实施例3
调相腔使用硬化的硅橡胶圆管制作而成，便于工业规模化生产，由于硅橡胶本身具有疏水性质，在其内壁涂覆一层油脂；调向腔所在的内芯片采用跟上述调相腔同样的硬化的硅橡胶圆管，在其内壁均匀的镀上由导电硅橡胶制作而成的4块瓦片状硅橡胶并引出4个电极，再使用PDMS粘合起来，然后在其内壁蒸镀1-10μm的PDMS绝缘介电材料，再涂覆一层非常薄的Teflon@1600，并设置电压V3-1～V3-4分别施加于上述4个电极；采用PDMS制作成驱动内芯并封装，在调相腔的第一液体的靠左部分开孔，驱动内芯的左端开孔，使用细管将两孔连接起来，在调相腔的第二液体的中部附近开孔，驱动内芯的右端开孔，使用同样的细管将两孔连接起来。PDMS外壁左半部分缠绕数匝线圈并施加电压V1，右半部分也缠绕数匝线圈并施加电压V2，在上述两个线圈附近的PDMS外壁上套有环形压电陶瓷并分别施加电压V1-1和V2-1，由V1和V2实现液体的粗驱动，由V1-1和V2-1实现液体的精细驱动。第一液体选用水，第二液体选用油，第三导电液体选用一水合氨。
首先，进行调相：在驱动芯片的左侧施加压力，驱动第一液体向左运动，使得第二液体通过细管挤入调相腔，进而使接触面向左移动，改变驱动腔内第一液体和第二液体的填充比例，改变从左至右传播的光束相位差，进而实现调相。
其中，从左至右传播的光束相位差按照进行调节。
其次，进行调向：设置四壁初始电压0v，使得所有接触角为90度，此时接触面为初始平面；其次，提高壁8-1控制电压1v，降低壁8-3控制电压1v，有效控制该平面一维偏转；最后，在上述条件下，分别对称增减壁8-2和壁8-4的控制电压1v，进而实现该平面二维可调。
实施例4
调相腔使用金属圆管精加工而成，内壁涂覆特氟龙薄膜；调向腔所在的内芯片采用跟上述调相腔同样的金属圆管，将导电硅片4份粘接起来并引出电极，再使用环氧树脂粘接起来，在其内壁涂覆100纳米左右的二氧化硅，特氟龙绝缘疏水介电材料，再涂覆一层非常薄的Teflon@1600，并设置电压V3-1～V3-4分别施加于上述4个电极；采用软塑料圆管制作成驱动内芯并封装，在调相腔的第一液体的靠左部分开孔，驱动内芯的左端开孔，使用细管将两孔连接起来，在调相腔的第二液体的中部附近开孔，驱动内芯的右端开孔，使用同样的细管将两孔连接起来。软塑料圆管外壁左半部分缠绕数匝线圈并施加电压V1，右半部分也缠绕数匝线圈并施加电压V2，在上述两个线圈附近的软塑料圆管外壁上套有环形压电陶瓷并分别施加电压V1-1和V2-1，由V1和V2实现液体的粗驱动，由V1-1和V2-1实现液体的精细驱动。第一液体、第二液体、第三导电液体选用密度相等的液体。
首先，进行调相：在驱动芯片的左侧施加压力，驱动第一液体向左运动，使得第二液体通过细管挤入调相腔，进而使接触面向左移动，改变驱动腔内第一液体和第二液体的填充比例，改变从左至右传播的光束相位差，进而实现调相。
其中，从左至右传播的光束相位差按照进行调节。
其次，进行调向：设置四壁初始电压0v，使得所有接触角为90度，此时接触面为初始平面；其次，提高壁8-1控制电压1v，降低壁8-3控制电压1v，有效控制该平面一维偏转；最后，在上述条件下，分别对称增减壁8-2和壁8-4的控制电压1v，进而实现该平面二维可调。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种光束调相调向装置，其特征在于：包括具有柱状通孔的功能内芯(1)和驱动内芯(2)；所述功能内芯(1)的左右两端分别设有透明的左盖片(5)和右盖片(6)，且功能芯片与两块盖片间的空间形成液体可调相调向的功能腔(3)，用于存储调相调向液体材料；所述功能腔(3)由调相腔(7)和调向腔(8)组成，放置第一液体(9)、第二液体(10)和第三导电液体(11)，三种导电液体互不相溶且折射率各异，第一液体(9)和第二液体(10)组合构成调相液柱，第二液体(10)和第三导电液体(11)组合构成调向液柱；调相腔(7)由非弹性材料制作而成；调向腔(8)由四块导电材料经绝缘粘胶粘结而成，导电材料分别为壁(8-1)、壁(8-2)、壁(8-3)、壁(8-4)，各内壁面设有绝缘介电层和疏水层，每块导电材料作为独立的控制电极，第三导电液体(11)为公共电极；
驱动内芯(2)设有具有弹性壁的驱动腔(4)，所述驱动腔两端设有开口并通过微流道与功能内芯(1)调相腔(7)连通，储存有第一液体(9)和第二液体(10)；驱动内芯(2)外侧设有粗调驱动装置(12)和细调驱动装置(13)。
2.根据权利要求1所述的光束调相调向装置，其特征在于：所述调相腔(7)中部内壁区域设有疏水层，第一液体(9)、第二液体(10)接触面为与内壁垂直的平面。
3.一种光束调相调向装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤1，进行光束调相：
步骤1.1、在驱动芯片上左侧施加压力，驱动第一液体向左运动，使得第二液体通过微流道挤入调相腔内，进而使接触面向左移动；
步骤1.2、通过驱动芯片上的粗调驱动装置及细调驱动装置进行进一步驱动调节；
步骤1.3、根据计算从左至右传播的光束的相位差，最终完成调相；
步骤2，进行光束调向：
步骤2.1、对调向腔内的四块导电材料壁施加适当的电压，设置初始电压为0v，使液体接触面与四个壁的接触角均为90度，确保接触面为平面；
步骤2.2、提高壁(8-1)的控制电压，并同步同值降低壁(8-3)的控制电压，使壁(8-1)和壁(8-3)与液体的接触角始终保持互补，从而实现该平面一维可调；
步骤2.3、在上述接触面为平面的前提下，分别对称壁(8-2)和壁(8-4)的控制电压，进而实现该平面二维可调，并最终完成调向。
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